Синтез высококачественных диэлектрических структур с контролируемой диэлектрической проницаемостью методом трехмерной печати

Размещено на http://www.allbest.ru/

2

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет» (ФГБОУ ВО «ВГУ»), Воронеж, Россия

синтез высокочастотных диэлектрических структур с контролируемой диэлектрической проницаемостью методом трехмерной печати

А.М. Бобрешов, П. А. Кретов, М. П. Ряполов,

Е. А. Сбродов, К. В. Смусева, Г. К. Усков

Аннотация. В работе представлены методы синтеза сложных диэлектрических структур с неоднородным заполнением. Продемонстрированы подходы и их изготовлению методом трехмерной печати. Проведен сравнительный анализ методов градуированная диэлектрической структуры и её формирования. В результате предложен алгоритм и программное обеспечение для изготовления неоднородных диэлектрических линз и структур в соответствии с исследованными законами распределения на примере заполнения TEM-рупорной антенны.

Ключевые слова: неоднородный диэлектрик; линза; градуированные диэлектрики; 3D печать; TEM-рупор.

Abstract. A three-dimensional dielectric structure with inhomogeneous gradient filling and the method of structure generation are presented. The implementation of fillers with a simple three-dimensional printing method is demonstrated. Approaches and their production by the method of three-dimensional printing are demonstrated. A comparative analysis of the graduated dielectric structure formation methods is carried out. The results of experimental investigation distribution laws are presented. As a result, an algorithm and software for the manufacture of inhomogeneous dielectric lens structures on the example of filling a TEM horn antenna, has been proposed.

Keywords: inhomogeneous dielectric; lens; graduated dielectrics; 3D printing; TEM-horn.

неоднородный диэлектрик линза рупорная антенна

Введение

Современные требования к формированию диаграммы направленности антенн не всегда получается удовлетворить стандартными методами. Для улучшения характеристик антенн начинают применяться диэлектрические линзы, позволяющие изменить геометрию волнового фронта аналогично тому, как оптические линзы изменяют направление движения электромагнитных волн видимого диапазона. На сегодняшний день предложено несколько технологий изготовления таких линз. Наиболее перспективной является применение аддитивного метода производства, который, в отличии от субтрактивного, позволяет создавать более сложные структуры.

Трёхмерная печать, в том числе и с пространственно-градиентными свойствами, используются во многих областях техники уже продолжительное время. Существуют серийные 3D принтеры, доступные как для экспериментов, так и для мелкосерийного производства изделий из различных материалов. Для настоящей работы наибольший интерес представляют принтеры, использующие технологию послойного наплавления.

В них печать производятся различными видами пластика, что позволяет получить материал с разной плотностью диэлектрика в зависимости от соотношения материалов и воздуха в заготовке.

Несмотря на простоту идеи, методы получения структур с заданным законом распределения диэлектрической проницаемости могут различаться, а и полученные в результате линзы не всегда позволяют достичь необходимых результатов. Данная работа посвящена созданию метода построения и печати с малым размером ячейки и большим диапазоном изменения диэлектрической проницаемости.

Анализ методов заполнения

В литературе уже описано несколько способов создания диэлектрических линз с применением аддитивных методов. Например, в [1-3] использовались прямоугольные ячейки с полостями, траектория печати такой модели генерируется готовыми программными решениями. Такой метод обладает большой дискретностью и временем печати, низкой рабочей частотой и все же имеет несколько общих черт с субтрактивными методами. Структура такого заполнения представлена на рисунке 1а. В статье [4] проводится сравнительный анализ анизотропии различных заполнений в том числе созданную при помощи 3D печати структуру сот, которая по своему строению по своим характеристикам практически не отличается от ранее описанной структуры с полостями.

В работах [5, 6] проводятся также исследования для структур, в качестве основы использующих сетку с кубическим или шарообразными расширениями в узлах. Размеры расширений в узлах регулируют диэлектрическую проницаемость близлежащего объема диэлектрика. Недостатком таких алгоритмов заполнения является то, что для достижения высоких рабочих частот заполнения, печать необходимо производить на высокоточном оборудовании с высоким разрешением.

Рис. 1. Примеры некоторых рассмотренных структур заполнения.

В качестве замены вышеперечисленным способам была рассмотрена кривая Гильберта (рисунок 1б), которая является безотрывной линией. Это увеличивает скорость печати, однако такое заполнение обладает достаточно высокой дискретностью. Среди заполнений были также рассмотрены пилообразная и синусоидальная кривые. Они обладают плавным горизонтальным градиентом, однако при печати на изломах без регулирования подачи материала будут скапливаться излишки материала.

В работе [7] проводится исследование линзы Люнеберга напечатанной при помощи преобразованной кривой гильберта, которая представляет из себя непрерывную линию. Однако, при недостаточной точности используемого принтера, сложно добиться требуемого результата.

В предлагаемом методе диэлектрическая проницаемость так же определяется отношением количества пластика к воздуху между нитями. Используемые кривые заполнения критически отличаются от описанных в [3-6], близки к кривой описанной в [7], но являются меандрическими и имеют возможность безотрывной печати (рисунки 2 и 3). Степень заполнения регулируется шириной отступа нитей друг от друга, чем и достигается возможность более точного регулирования диэлектрических параметров ячейки и благодаря чему можно добиться большей плавности градиента. Все ячейки имеют фиксированные размеры для всей модели за исключением крайних ячеек, которые могут менять свои размеры для соответствия габаритам структуры.

Одним из преимуществ метода является возможность реализовывать структуры, работающие в СВЧ диапазоне на более простых и дешевых принтерах. Сам же метод построения полностью является параметризированным. Для модели производятся вычисления каждого слоя, которые подставляют собой набор ячеек со своей собственной заданной диэлектрической проницаемостью.

Зависимость диэлектрической проницаемости от коэффициента заполнения

Для построения правильной модели данным методом, проведены исследования зависимости диэлектрической проницаемости от коэффициента заполнения ячейки. Для это были напечатаны несколько образцов, состоящих из одинаковых ячеек. Каждый из образцов отличался коэффициентом заполнения материала (рисунок 4).

Измерения производились при помощи векторного анализатора цепей Agilent PNA-L N5230A и волноводной линии. В результате для образцов были получены показания диэлектрической проницаемости, которые отображены в таблице 1. Также было установлено, что коэффициент заполнения и диэлектрическая проницаемость связаны законом диэлектрического смешения (формула Лихтенеккера) для вспененных материалов, что так же говорит о работоспособности полученной структуры. В результате измерений были получены значения диэлектрической проницаемости для образцов, представленные в таблице 1.

Рис. 4. Образцы диэлектрических структур из HIPS-пластика с различными коэффициентами заполнения и измеренными массами.

Таблица 1. Диэлектрическая проницаемость образцов

Исходя из полученных измерений была синтезирована диэлектрическая линзовая структура, улучшающая характеристики ТЕМ-рупора. Работа линзы основана на преобразовании волнового фронта волны, распространяющейся между лепестками антенны. Исходя из [2], выражение для диэлектрической проницаемости в точке раскрыва с координатами x, y имеет вид:

,(1)

где h -высота излучателя или высота диэлектрика, x и y координаты удаленной точки.

Печать структуры для TEM-рупора

Печать диэлектрика производилось на 3D-принтере с численно-программным управлением MakerBot Replicator 2X. Параметры печати были выбраны опытным путем: температура экструдера -- 215 °С, температура подогреваемого стола -- 130 °С, материал печати -- HIPS-пластик с ранее экспериментально измеренной диэлектрической проницаемостью ?? = 2.4. Диэлектрическая проницаемость, соответствующая минимально реализуемой плотности материала, составила 1.25, высота одного слоя -- 0.2 мм, диаметр сопла экструдера -- 0.4 мм. При печати экспериментально был выбран размер ячейки 3.6 мм, по краям структуры размеры ячеек менялись в зависимости от габаритов слоя от 2.8 до 6.4 мм. На рисунке 5а представлен процесс печати, на котором отчетливо видны перемеженные 3 слоя. На рисунке 5б изображен непосредственно готовый диэлектрический заполнитель. Еще одним преимуществом данного метода заполнения является снижение времени печати, которое составило 6 часов. В случае прямоугольных воздушных вставок и оригинального программного обеспечения 3D принтера время печати составило более 9 часов. Выигрыш по времени получен благодаря увеличению количества безотрывных линии? и сокращению времени движения экструдера без подачи материала. Так же на рисунке 6 представлен пользовательский интерфейс программы для генерации моделей с меандрическим заполнение.

Рис. 5. Диэлектрический наполнитель а) во время печати и б) установленный в ТЕМ-рупорную антенну.

Рис. 6. Пользовательский интерфейс программы, реализующей заполнение.

Также были проведены исследования влияния диэлектрической структуры на коэффициент усиления антенны при помощи векторного анализатора цепей Agilent PNA-L N5230A на частотах от 400 МГц до 26 ГГц. К первому порту анализатора подключалась излучающая TEM-рупорная антенна, в которую устанавливались диэлектрические наполнители, ко второму порту анализатора подключалась антенна-приемник без диэлектрических наполнителей.

Снятие показании? параметра S₂₁ поочередно производились для антенны без диэлектрического наполнения, для антенны с диэлектрическим наполнением квадратами и для антенны с диэлектрическим наполнением меандром для всего диапазона исследуемых частот. При помощи полученных измерений был вычислен выигрыш в усилении при использовании диэлектрических структур относительно антенны без заполнения. Как видно из кривых, представленных на рисунке 7, заполнение меандром имеет наибольшее усиление антенны. Размеры полостей в диэлектрике обладают малым размером и хорошо имитируют вспененный материал. Предположительно диэлектрик, выполненный заполнением в виде меандра способен работать на частотах вплоть до 50 ГГц.

Рис. 7. Выигрыш в усилении для антенны с заполнением перфорированными прямоугольниками и заполнения меандром.

Заключение

В работе представлена новая методика создания диэлектрических структур с переменным показателем диэлектрической проницаемости с помощью трёхмерной печати. Полученные структуры могут быть использованы для производства диэлектрических линз, позволяющих сформировать диаграмму направленности антенн в широком диапазоне частот. Входными данными для работы алгоритма является закон распределения диэлектрической проницаемости, по которому рассчитывается трёхмерная модель для печати на 3Д принтере. Реализация алгоритма выполнена в виде кроссплатформенного программного обеспечения и не привязана к определённым моделям антенн или принтерам. В работе была проведена экспериментальная проверка методики на примере заполнения ТЕМ-рупорной антенны, и доказана её эффективность. Предлагаемый метод легко масштабируется и совместим с большинством существующих систем трехмерной печати, работающих по технологии послойного наплавления.

Благодарности

Работа выполнена в рамках грантов Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых - докторов наук
(МД-6872.2018.9).

ЛИТЕРАТУРА

1.Бобрешов А. М., Усков Г.К., Кретов П. А., Сбитнев Н. С. Улучшение направленных свои?ств ТЕМ-рупора путем использования неоднородного диэлектрического заполнения между лепестками антенны. REDS: Телекоммуникационные устройства и системы. 2016. Т. 6. № 1. С. 150-153.

2.Бобрешов А. М., Кретов П. А., Сбитнев Н. С., Усков Г. К. Экспериментальное исследование ТЕМ-рупора с неоднородным диэлектрическим заполнением. Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2016. Т. 19. № 3. С. 6-11.

3.Uskov G. K., Kretov P. A., Stepkin V. A., Sbitnev N. S., Bobreshov A. M., Investigation of 3D printed dielectric structure for microwave lens prototyping, 2017 XI International Conference on Antenna Theory and Techniques (ICATT), Kiev, 2017, pp. 294-296.

4.A. Korotkov, Y. Mitelman, Comparison of Luneburg Lens Antennas Made from Homogeneous Material, Ural Symposium on Biomedical Engineering, Radioelectronics and Information Technology (USBEREIT), 2018.

5.Z. Larimore, S. Jensen, A. Good, A. Lu, J. Suarez, M. Mirotznik, Additive Manufacturing of Luneburg Lens Antennas Using Space-Filling Curves and Fused Filament Fabrication. IEEE Trans. Antennas and Propag., vol. 66, no. 6, pp. 2818-2827, June 2018.

6.K. V. Hoel, S. Kristoffersen, M. Ignatenko and D. Filipovic, "Half ellipsoid luneburg GRIN dielectric lens loaded double ridged horn antenna," 12th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP 2018), London, 2018, pp. 1-5.

7.P. I. Dankov, "Characterization of Dielectric Properties, Resultant Isotropy and Anisotropy of 3D Printed Dielectrics," 2018 48th European Microwave Conference (EuMC), Madrid, 2018, pp. 823-826.

REFERENCES

1.Bobreshov A. M., Uskov G. K., Kretov P. A., Sbitnev N. S. Improving the directional properties of the TEM horn by using a non-uniform dielectric filling between the antenna lobes.

2.Bobreshov A. M., Kretov P. A., Sbitnev N. S., Uskov G. K., Experimental reserch of TEM-horn antenna with inhomogeneous dielectric. Wave process physics and radio systems. 2016. V. 19. № 3. P. 6-11.

3.Uskov G. K., Kretov P. A., Stepkin V. A., Sbitnev N. S., Bobreshov A. M., Investigation of 3D printed dielectric structure for microwave lens prototyping, 2017 XI International Conference on Antenna Theory and Techniques (ICATT), Kiev, 2017, pp. 294-296.

4.A. Korotkov, Y. Mitelman, Comparison of Luneburg Lens Antennas Made from Homogeneous Material, Ural Symposium on Biomedical Engineering, Radioelectronics and Information Technology (USBEREIT), 2018.

5.K. V. Hoel, S. Kristoffersen, M. Ignatenko and D. Filipovic, "Half ellipsoid luneburg GRIN dielectric lens loaded double ridged horn antenna," 12th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP 2018), London, 2018, pp. 1-5.

6.P. I. Dankov, "Characterization of Dielectric Properties, Resultant Isotropy and Anisotropy of 3D Printed Dielectrics," 2018 48th European Microwave Conference (EuMC), Madrid, 2018, pp. 823-826.

7.Z. Larimore, S. Jensen, A. Good, A. Lu, J. Suarez, M. Mirotznik, Additive Manufacturing of Luneburg Lens Antennas Using Space-Filling Curves and Fused Filament Fabrication. IEEE Trans. Antennas and Propag., vol. 66, no. 6, pp. 2818-2827, June 2018.

Размещено на Allbest.ru